适应农理结合生物类专业的“微生物发酵工程”课程改革

［摘 要］ 基于一流本科和新农科建设发展需求，适应农理结合生物类本科专业人才培养要求，结合传统课堂教学和超星学习通平台优点，对“微生物发酵工程”课程教学目标、教学内容、教学方法、教学考核等进行了一系列改革探索，并尝试线上线下混合式教学模式，课程思政融入课堂，农业和环境生物学特色融入理论与实践教学，提高了学生自主学习的积极性，提升了学生综合运用知识的能力，为更好地培养创新型和复合应用型人才起到了引领示范作用。

［关键词］ 微生物发酵工程；教学改革；混合式教学

［基金项目］ 2020年度南京农业大学“卓越教学”课堂教学创新实践项目“微生物发酵工程”（JF2006001）；2021年度南京农业大学专业建设研究教改专项项目“一流本科背景下的生物科学专业跨学科教育实践改革”（2021ZY02）

［作者简介］ 何琳燕（1976—），女，江苏常州人，博士，南京农业大学生命科学学院教授，主要从事微生物学和生物菌剂研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）10-0051-04 ［收稿日期］ 2022-04-26

引言

微生物发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能为人类生产有用产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一门学科［1］。国家在“十二五”和“十三五”生物产业发展规划中，先后提出了“重点培养生物领域原始创新人才、工程化开发人才、高技能人才等各类人才”的培养目标［2］。微生物发酵工程或发酵工程，是许多高校生物工程、生物技术等专业的核心课程，该课程与生物学和工程学联系紧密，涉及生物化学、微生物学、化学工程、过程控制、信息科学等多门学科［3-4］。南京农业大学以农业和生命科学为优势和特色，以强农兴农为己任，聚力改革创新，服务国家战略需求，着力培养知农爱农新型人才［5］。“微生物发酵工程”是我校生命科学学院生物类本科三年级开设的专业选修课程，并作为跨专业大类推荐课程供学生根据学习兴趣和需要选修。在科学技术日新月异的今天，如何通过微生物发酵工程课程教学，培养具有创新能力、团队协作能力和综合实践能力的生物类创新型和复合应用型人才，为现代农业发展输送人才，是我们面临的极大挑战。基于一流本科和新农科建设的发展需求，我们探讨适应农理结合的生物类本科专业“微生物发酵工程”在教学过程中的改革与实践，有针对性地对学生进行引导，使其在有限的课时内掌握该课程的基本技术和原理，期望能够为提高“微生物发酵工程”课程教学质量、提高学生分析和解决问题的能力、更好地培养创新型和复合应用型人才起到引领示范作用。

一、明确教学目标，优化教学内容，增加思政元素

课程改革思路是将立德树人始终贯穿于教学体系，积极适应教学信息化发展趋势，将课程理论与实践形成有机统一体。

（一）教学目标明确设计

传统教学中设定的课程目标过于笼统，不够清晰合理。我们结合我校生物学一流学科、一流专业建设行动计划，基于课程支撑毕业要求指标点来设定“微生物发酵工程”课程目标。本课程以发酵工业为主线，加强基础知识的学习与训练，使学生掌握微生物发酵工程中的共性工艺原理；融合新农科特色，强化生命科学与农业、食品、环境、动物科学等其他学科专业的交叉应用，了解生物发酵主要产品如生物农药、微生物肥料、农用抗生素、饲料添加剂等生产工艺；发挥现代发酵科技前沿引领作用，注重对学生综合能力、批判性思维的培养，培养学生的创新能力，使学生具备分析和解决发酵生产与研发的基本能力，能够运用基因工程、代谢工程等手段突破微生物的固有调节机制，为以后从事微生物产品发酵生产和科学研究打下良好的基础。

（二）教学内容合理优化

我们发现在以往的课堂教学中，学生的基础知识储备普遍不足。学生仅上过“微生物学”“生物化学”等基础课程，缺少“化工原理”等工程理论课程的铺垫，“微生物生理学”“分子生物学”等重要的理论课程还在同期上课。此外课时有限，而“微生物发酵工程”课程的教学内容系统性强，知识点庞杂，由“一条主线、两大主题、三大基础、四项工程和五种方式”构成，如果按照工科专业发酵工程内容上课，教师难以完成教学内容，学生无法理解、掌握发酵工程和技术原理。

我们在新课程目标下，针对理科学生课前知识背景，梳理知识点，重塑课程内容，简化《发酵动力学》等章节，重点介绍了发酵微生物菌种选育和种子制备、发酵培养基设计和制备、无菌技术、发酵过程参数检测与调控、发酵产品分离及纯化、废弃物综合处理。各章节通过构建知识点思维导图，有助于学生建立系统思维。我们还对教学内容进行了模块化划分，将教学内容分为发酵上游、中游和下游三个教学模块。上游模块为发酵生产之前的准备工作，内容有菌种选育和制备、培养基优化、制备无菌空气等；中间的发酵罐培养作为中游模块，包括发酵罐结构与使用、过程检测等；发酵放罐后的产物处理作为下游模块，包括发酵液预处理、产品纯化、废水处理等。将农用抗生素、微生物肥料、饲料添加剂和食品发酵等产品生产工艺作为案例，穿插在上述教学内容中讲述，使知识原理形象化，既激发了学生的学习热情，又便于学生巩固复习。

（三）课程思政有机融合

《关于加快构建高校思想政治工作体系的意见》中指出，理学、工学类专业课程要注重对学生科学思维方法的训练和科技伦理的教育，注重培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，注重培养学生精益求精的大国工匠精神［6］。因此，我们深入发掘微生物发酵工程的思政元素，贯彻落实立德树人根本任务。

我们在课堂上讲述了我国著名的农业教育家、中国农业微生物学奠基人、原南京农学院院长樊庆笙与青霉素的渊源。1944年樊庆笙带着3支青霉素菌种沙土管，还有一些器械和试剂，乘美国运输船转运、跨越驼峰航线艰难回国，与同人们开展青霉素的研制和生产工作，为我国揭开了生产抗生素的历史，使正值战乱中的中国成为世界上率先制造青霉素的国家之一，鞠躬尽瘁，科学报国，贡献突出。在课后我们给学生布置了参观我校校史馆、寻找镇馆之宝青霉素菌种（当年樊庆笙从美国带回的菌种之一）的小任务，在活动中领悟南农先贤将个人理想与时代发展的使命结合起来兴农报国的精神，激励学生为祖国发展及社会进步贡献力量。以生物农药Bt制剂、农用抗生素等发酵生产为案例讲授发酵调控工艺时，强调应根据发酵过程的整体控制目标来优化参数，从而让学生树立全局意识、团队意识，站在全局的高度思考问题、研究问题和解决问题。

二、线上线下混合式教学模式

随着信息技术和网络技术的快速发展，“互联网+”与现代教育深度融合，如超星学习通、雨课堂、MOOC开放学习平台应运而生［7］。借助网络平台，以课内知识为基础、课外知识为拓展，将课内知识点与课外拓展资料结合，实现线上与线下知识互补、线上线下混合式教学。

（一）线上教学平台的建设

根据功能将超星学习通平台划分为教学资源区、教学互动区、教学数据统计区。教学资源区包括课程大纲、参考资料、拓展资料、习题、作业等；教学互动区设置签到、同步课堂、通知、课堂讨论、章节测验等；教学数据统计区包括课程章节访问量、知识点完成度、作业统计、讨论积分、成绩管理等。由于新教学大纲中“微生物发酵工程”课时降低到18学时，为了保证有限课时下的有效教学效果，提高学生学习效率，我们对教学资源进行了改革。首先，我们将原来54课时的课件PPT作为主要参考资料，放置到学习通教学资源区，学生可随时随地查阅，进行预习或复习。其次，我们从学习通资源库上找出生物工艺学、发酵工程实验、生物发酵英文版教材等电子教材，发酵食品制作视频等趣味性材料作为拓展资料，并提供了合成生物学等相关学术文献和国际基因工程大赛的参赛获奖作品，丰富课程内容，激发学生网上学习兴趣，引导学生了解微生物发酵工程的发展趋势和热点。此外，我们根据每一章节的知识点和重难点，建设习题库，帮助学生巩固知识、培养学生的自主学习能力。

（二）线上线下混合式教学

在实施教学过程中，我们通过学习通的“通知”发布教学目标和要求，引导学生在线上完成课前预习，以便提高线下课堂教学效率。在课堂教学中，教师在授课过程中明确重点，将内容聚焦于主线上，做到条理清晰、主题突出。

除了教师讲授以外，我们还进行分组讨论和启发式教学。例如，讲授通用型好氧发酵罐结构与功能章节时，由于一些学生之前没有见过发酵罐实物，实验室中也无法同时容纳50多人观察发酵罐，学生对发酵罐没有立体感受，难以领会理解。我们拍摄了10 L机械搅拌式发酵罐的内外部结构视频，放置到学习通教学资源区。在课堂上简单介绍一下发酵罐由几大部分组成，然后将学生分组，各自对照10 L机械搅拌式发酵罐视频、局部构件照片和PPT讲义，开展分组讨论式学习。教师在场，当学生有问题时，可向教师提问。学生相互启发，共同讨论，形成各组的认识和理解。课后完成该章节作业和测试，辅助学生进行复习，进一步巩固发酵罐结构和功能知识点。

此外，我们在课堂上通过线上平台发起签到、抢答，或随机选出学生回答问题等，对表现突出的学生给予适当的平时成绩加分鼓励，以此来活跃课堂气氛，提供更多与学生互动的机会。通过设置“有哪些适合于企业采用的优良菌种保藏方法？”“如何观察发酵菌种菌体形态？”等一系列问题，组织学生分成“选种组”“制种组”和“保种组”3组技术人员，选择对应的问题并讨论回答，将教材上抽象的理论知识具体化，让学生真切理解这些书本上的理论知识在生产实践中的应用。

三、合理规范考核方式

原来考核方式由期末成绩（60%）和平时成绩（40%）组成，期末成绩为小开卷考试，平时成绩种类单一。现在提高了平时成绩权重，丰富了平时成绩形式，包括学习通上任务点完成、课堂测试、课后作业等，并增加课堂测试和课后作业的次数和难度。例如，利用雨课堂每周进行一次课堂小测试，可随时随地进行实时答题、评判、点评，让师生互动更多、教学更加便捷。课后作业增设讨论题，组织大家对发酵工程的重点与难点展开思考与讨论。以“发酵工业菌种筛选”为例，给出4张大家熟悉的发酵产品图片，请学生查找资料，调查并讨论发酵产品的菌种来源途径和几种常用的菌种分离方法。期末考试为小开卷考试，学生仅能携带一张A4纸大小的参考资料。考核中注意综合知识运用。例如，设计思考题2例，要求学生任选一题作答。期末考试使学生在深入理解和掌握基础知识的基础上加强了综合应用专业知识的能力。经过“多次复习、多次考核”，学生心情放松，学习兴趣浓厚，教与学进入良性循环。近年来，学生每学期进入学习通平台参与课程超过4 000次，线上作业和小测试完成率100%，选课人数由20多人增加至50多人。在课程结束后的“学评教”环节收到学生较好的评价和反馈，学生对改革后的课程教学满意度大幅提高。

四、合理配套实践教学

“微生物发酵工程”是与实践紧密结合的一门课程，具有理论性、应用性和实践性强的特点。由于目前本课程没有配套相应的实验实践课程，因此如何进行实践教学是本课程的一个教学难点。

我们理顺培养方案，在编写“生产实习”“生命科学行业企业专家开放课”“微生物学综合实践”等实践课程教学大纲时，补充了若干微生物发酵工程实践内容，并将实践环节贯穿于整个大学学制中。例如，在“生产实习”课程中，我们与南京工业大学国家生化工程技术研究中心建立联合教学实践基地，“微生物发酵工程”授课教师亲自带领大二学生在实训基地进行发酵罐实操学习和训练，留下了初步印象，激发了学生的学习热情和动力；在大三学年“生命科学行业企业专家开放课”课程中，我们邀请相关发酵企业的高管、行业精英做专题讲座和报告，促使学生及时了解微生物发酵行业动态、企业对人才的需求和岗位，增强了学生对当代生物技术产业的了解和认知，提高了学生对专业发展的自信度和期待值。在大四学年的“微生物学综合实践”中，我们设置了机械搅拌发酵罐系统和甜酒酿制作与品鉴两个实践内容，开放实验室给学生近距离触摸、观察三联10 L通用型发酵罐系统，讲解液态和固态等不同发酵类型原理，以及发酵设备和工艺在食品、农业等方面的应用，提高了学生运用专业基础理论知识解决生产实际问题的能力和动手能力。

五、成效与展望

为提高“微生物发酵工程”课程的教学质量，培养农理结合的适应新时代发展需求的创新型和复合应用型生物类人才，本课程还需要继续改进，包括教学资源（习题库、拓展资料）的持续更新、讨论方式的多变性设计、实践教学探索等。例如，整合我院虚拟实验教学资源“食用菌栽培工艺”等，让学生在虚拟的环境中进行操作、验证，把仿真技术和微生物发酵工程教学结合起来，突破传统教学手段，提高实践教学的效果。结合“发酵工程”课程特点，鼓励学生申报各级各类大学生创新创业训练计划项目，参加大学生生命科学竞赛和“挑战杯”“互联网+”等课外科技竞赛活动，并指导学生撰写论文和专利，真正提高学生的专业兴趣、自主学习能力和实践创新能力，大幅提升学生的综合素质。